刮板形状对平煤过程动态行为影响的离散元模拟

苏永红

（山西广播电视大学，山西 太原 030027）

刮板形状对平煤过程动态行为影响的离散元模拟

苏永红

（山西广播电视大学，山西 太原 030027）

针对目前市场上使用的平煤装置在平煤过程中出现的一系列问题，从刮板结构优化的角度，提出了一种对称抛物线型的异型面结构的平煤装置，并使用离散元软件对其进行物理建模和运动仿真。仿真结果表明这种新型的平煤器刮板结构能够得到更好的平煤效果。

离散元；建模；异型面；平煤装置

引言

随着铁路运煤的高速化发展，煤运列车的装煤质量有了更高的标准。现在的铁路装煤方式是通过皮带输送的形式直接装入无顶盖的火车车厢内，这种装煤方式使得煤被转入车厢后中间隆起煤峰，而车厢两侧则少煤或无煤。按照铁路运输相关部门的规定，高出车厢的煤峰必须进行平整，以免造成浪费和环境的污染；煤炭若不平整必然会造成车厢的偏载，造成危险。因此平煤装置成为必要的设备，而刮板的形状直接决定着平煤的效果。而目前市场使用的平煤器刮板并不能顺畅地将中间堆起的煤排向火车车厢两侧，所以本文提出了一种对称抛物线型异型面刮板，并利用离散元软件对平煤过程进行了仿真模拟，分析比较出这种异型面的刮板比市场上使用的长方形刮板的平煤效果要顺畅，具有良好的使用推广性。

1　煤颗粒离散元力学模型

离散单元法这一研究方法是将研究对象进行离散化分析，对颗粒群体的运动学研究除了追踪标记某一典型颗粒体的运动外，还可以研究颗粒体群的运动情况。在本文建立的平煤过程离散元模型中，是以整个煤颗粒群体的运动状况为研究目的，具体来说就是当颗粒群体收到外界力的作用时，追踪研究颗粒与颗粒之间、颗粒与外界载体之间接触时的相对接触力、相对速度和相对位移如何发生变化。离散元中有两种接触模型，即软球模型和硬球模型［1］。根据软球模型的原理，将相邻颗粒球体在空间接触时产生的作用力，化简为滑动摩擦器、阻尼器和弹簧之间的互相作用，他们之间的接触力划分为切向接触力和法向接触力，如图1所示。

图1　离散元颗粒体的接触模型

离散元中这种软球模型实质上是一种理论上接近的非线性的接触模型，由这种模型而研究出的颗粒接触力和相对位移都是非线性的关系，同时这个模型中所涉及到的接触力有滑动方向的摩擦力、颗粒之间的阻尼力以及颗粒自身的弹性力。由于煤炭中水分的存在，煤颗粒之间实际上是互相黏结的，平煤器推平煤峰颗粒的运动过程是一种非线性的运动过程，本文可据此采用离散元中的软球模型，用滑动摩擦器与弹簧阻尼器的变形力来近似地模拟在刮板推动下煤颗粒之间的相互作用。

2　刮板形状的建模

作为离散单元法的一种，PFC3D是一种基于颗粒流程序新的离散元数值模拟技术（Particle Follow Code），应用其中内含的颗粒堆积法，可以近似地将颗粒排列成某种特定的形状，曾经有研究者将这种方法应用于超临速球磨机内部的导向板的生成［2］，模拟效果十分显著，因此，本文将利用该软件当中的这一功能，结合其中的BALL命令生成单一颗粒球，而且能够实现将单个颗粒球在空间上按照指定的位置坐标进行排列，最终形成相应数学函数的模拟刮板形状。同时由于PFC3D中提供了Raft命令，这一命令又可以将之前生产的单独颗粒形成一个整体的结构形状，再利用“property pb_s=1e45 pb_n=1e45 range Raft”命令，赋予颗粒之间一定的黏结力，使得颗粒之间紧紧黏结在一起，最终成为一个牢固的模拟刮板［3］，为了进行对比分析，本文建立两种不同形状的刮板，一种是市面上最常见的长方形刮板，另一种是对称抛物线型异型面刮板，其中对称抛物线型刮板数学模型：x=-0.031 25y2+0.5y，x=0.054 1y2-1.189 4y+8.362 1。两种模拟刮板的形状如图2、图3所示：

图2　长方形平面刮板几何模型

图3　对称抛物线型刮板几何模型

3　平煤过程离散元模拟与分析

国内现阶段使用的平煤器装置的刮板形状以长方形为主，这种结构的平煤效果具有很大的局限性，火车车厢中间堆起的煤峰越来越多，无法在平煤的过程中同时将中间隆起的煤顺利地排向车厢的两侧，所以要想实现平煤效果的改善，需对刮板的形状进行优化和改进。本文提出了一种对称抛物线型的刮板形状，由于这种形状数学函数二阶导数的连贯性，预期它的平煤效果相对于长方形刮板会更加理想。

PFC3D软件［4］是ITASCA咨询集团公司专门开发出来用于研究三维圆形颗粒流程序软件，主要针对球形颗粒介质之间的相互作用或者运动分析，很多需要模拟土壤流动的环境都利用这个软件来实现。同时，这个软件灵活而又强大的动态仿真环境［5］，可以有效追踪仿真结果，因此本文将利用PFC3D软件先对车厢、煤颗粒及刮板建好模型，然后利用该软件内嵌FISH语言进行编程，对刮板平煤的初始速度和循环时步进行设置，同时对煤颗粒的运动情况进行追踪，当程序进行到指定时步时，刮板停止运动仿真结束，最后通过观察两种刮板作用下颗粒的运动情况，进而对两种刮板的平煤效果进行分析，进而确定出最佳的刮板形状，图4、图5分别是两种刮板在平煤结束时煤颗粒运动情况。

图4　长方形刮板平煤结束时煤颗粒运动情况

图5　对称抛物线型刮板平煤结束时煤颗粒运动情况

从图4和图5程序结束时煤颗粒排向车厢两侧的情况来看，很明显长方形刮板排向车厢两侧的煤颗粒要远远小于抛物线型刮板的排煤效果。上述的这种效果是从煤颗粒的具体分布情况上得出的结论，那么还可以从煤颗粒运动的速度矢量图进行分析比较，如图6、图7所示。

从煤颗粒的速度矢量图也可以看出来，图6中煤颗粒的运动指向车厢两侧的很少，大部分都集中指向上方，也就是说大量堆积在车厢的中间，图7中煤颗粒的运动方向大量指向车厢的两侧，排煤效果好，所以长方形刮板远远没有对称抛物线型这种异型面刮板的平煤效果好。

图6　长方形刮板平煤结束时煤颗粒运动速度矢量图

图7　对称抛物线型刮板平煤结束时煤颗粒运动速度矢量图

4　结语

本文利用PFC3D软件对长方形和对称抛物线型两种刮板形状的平煤效果进行了模拟仿真，通过对比程序结束时两种煤颗粒排向车厢两侧的情况，以及煤颗粒的运动速度矢量图可以得知，对称抛物线这种异型面刮板由于其数学函数二阶导数的连贯性，可以将中间隆起的煤峰顺利排向车厢的两侧，所以相对于长方形刮板具有良好的平煤效果。

［1］Mindlin R D，Deresiewicz H.Elastic spheres in contact under varying oblirue forces［J］. Journal of Application Mechanics，1 95 3，20（3）：1 07-116.

［2］王燕民，李竟先，FORSSBERG Eric.颗粒堆积现象的计算机模拟（英文）［J］.硅酸盐学报，2003（2）：1 6 9-1 78.

［3］Cundall P A，Strack O D L.A discrete numerical model for granular assemblies［J］.Geotechnique，1979，2 9（1）：47-6 5.

［4］Cundall P A， Strack O L. Particle flow code in dimensions［M］. Itasca Consulting Group，Inc，1999.

［5］苏永红.试论PFC3D在平煤器结构优化的应用［J］.山西广播电视大学学报，2015（2）：41-42.

（编辑：贾娟）

The Discrete Element Simulation of Interfere with the Leveling Process Dynamic Behavior of the Shape of Breaking-down Shovel

Su Yonghong
（Shanxi Radio&TV University，Taiyuan Shanxi 030027）

In the light on a series of problems in the process of leveling of flat coal equipment at present， this paper puts forward a kind of symmetric parabolic heterogeneous surface structure of the leveling device，and uses the discrete element software carrying on the physical modeling and movement simulation. The simulation results show that This new type of leveling scraper structure can get better leveling effect.

discrete element method； modeling； heterogeneous surface； flat coal equipment

TH227

A

2095-0748（2016）15-0059-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.15.25

2016-06-28

苏永红（1985—），女，河北邯郸人，助教，现就职于山西广播电视大学，从事机械制造及其自动化研究。